研究背景

炉の安全性を向上させるために重要なこと
原⼦炉内に空気が浸⼊することにより⽣じる問題

GTHTR300Cの1次冷却系主配管破断事故時の空気浸⼊過程
Molecular diffusion

He

Natural circulation
Natural convection
Hot channel
Cold channel

HeAir

Air
Stage 1

Stage 2Outline drawing of air ingress process

Stage 1対向置換流により炉内に空気が浸⼊する．
炉内は安定な密度成層が形成される．

問題点

Stage 2
炉内を⼀巡する⾃然循環流が発⽣する．
(炉⼼流路と環状流路間で⼗分な浮⼒が⽣じた時に⽣成される．)

安全性向上のために重要なこと

Enlargement

Modeling

ReverseU-shaped model

炉内への空気浸⼊を防⽌・制御することが重要である。

Fuel particle Fuel block2

1次冷却系主配管破断事故時の流路構成とそのモデル化（逆U字型鉛直矩形流路）
High temperature side Low temperature side

燃料ブロックや⿊鉛構造物の酸化による原⼦炉健全性の低下
燃料粒⼦の放射性物質閉じ込め機能への影響
COやH₂といった可燃性ガスの⽣成と爆発の可能性

⾼温側流路
⾼温プレナム，炉⼼等で構成される内側流路
低温側流路
炉⼼と圧⼒容器間の環状流路で構成される外側流路
両流路が原⼦炉圧⼒容器上部で接続され，全体的に逆U字型流路を形成

炉⼼と圧⼒容器間の環状流路
Reverse U-shaped vertical を含む事故時の流路構成をモ
rectangular channel
デル化

Flow direction at the depressurization accident
4Graphite structure

3

実験⽬的
実験⽬的

Natural convection

鉛直矩形流路の⼀⽅を加熱・冷却し，密度の⼩さい気体の⾃然対流を発⽣させ，下部から密度の⼤きい気体が分⼦拡散により輸送されるとき

Natural circulation
Light gas

Cooled wall
Heated wall

Heavy gas

2成分気体の局所的な⾃然対流，分⼦拡散が⾃然循環流発⽣時間に及ぼす影響を調べることを⽬的としました．
Molecular diffusion
5逆U字型鉛直矩形流路の実験装置
Upper gas supply port
Gas exhaust port

Sampling port

Insulation
Low temperature side vertical slot
(Two cooled walls)

Cooled Wall
Thermocouple
Heated WallGas storage tank

Insulation

High temperature side vertical slot internal structure

実験条件・加熱・冷却壁間の流路と原⼦炉の環状流路⽐較
密度⽐

He-Air

1.38/10He-N2

1.43/10

Ne-Ar5/10

N₂-Ar7/10

レイリー数範囲（×10⁴）7

実験結果（⾃然循環流発⽣までのメカニズム）
両鉛直スロット内気体温度の時間変化
He-Air

加熱・冷却壁温度差

密度⽐︓1.38/10

ΔT=70[K] 𝑹𝒂𝒅𝑬 数範囲（×𝟏𝟎𝟒 ）︓0.0590~2.63

ΔT = 30, 50, 70 [K]Density
Naturaldecrease
convection

0.0226≦𝑹𝒂𝒅𝑬 ≦4.32

装置の加熱・冷却壁間の流路と原⼦炉の環状流路⽐較

実験装置

GTHTR300C

⾼さ [m]

h0.5

H8.0

幅 [m]

d0.02

D0.1

アスペクト⽐h ⁄d

温度差 ΔT [K]30, 50, 70

25H ⁄D150∗

ΔT = 30, 50, 70

ΔT = 150

temperaturefluctuation
Gradual Smalltemperature
drop
62min

Sharp temperature drop

80
＊︓X. Yan, K. Kunitomi, T. Nakata, S. Shiozawa, “GTHTR300 design and development”,Nuclear Engineering and Design 222, pp247-262, 20038

最⼤温度変動幅︓7.7℃

He density : Low
1temperature side slot
Air density︓7

High temperature side slot

50 50 50 50 50 50 50 50

実験条件
2成分気体

Heavy gas

6Lower gas supply port

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)

(23)
200248mm

Sheath Heater

Light gas

(24)

Densityincrease

200Partition Plate

Cooling Pipe

75598mm

Connected Passage

1. 仕切り板を開く．
2. 密度の⼤きい気体を注⼊する．
3. 仕切り板を閉じる．
4. 密度の⼩さい気体を注⼊する．
5. ⾼温側スロット内の加熱，冷却をする．
6. 定常状態を確認後，仕切り板を開放し実験を開始する．

90

High temperature side vertical slot
(Heated wall and cooled wall)

実験⽅法

(25)

Natural
Moleculardiffusion
circulation

62min

Sharp temperature rise9

各2成分気体の⾃然循環流発⽣時間とGr数の関係
密度差の⼤きい2成分気体は密度差の⼩さい2成分気体と⽐較
Gr数の定義式
して，Gr数は⼩さいが，⾃然循環流発⽣時間は短くなった．
𝑔𝛽 𝑇
𝐺𝑟𝑇

各2成分気体の⾃然循環流発⽣時間と相互拡散係数の関係
密度差の⼤きい2成分気体は密度差の⼩さい2成分気体と⽐較 相互拡散係数算出式（DAB ）𝑀
𝑀
して，DAB数は⼤きく，⾃然循環流発⽣時間は短くなった．
𝐷1.858 10𝑇 ⁄𝑇𝑀 𝑀
𝑃𝜎 𝑄𝑇 𝑑 ⁄ν⁄T102%
: He-Air: He-N₂
He-Air, He-N₂
Difference in value ≦ 57%
Difference in value ≦ 74%

Ne-Ar, N₂-Ar

0.3%: Ne-Ar3%: N₂-Ar

Min. : 仕切り板開放直前のGr数（密度の⼩さい気体のみ）
Max. : ⾃然循環流発⽣直前のGr数（2成分気体） 10

2成分気体の分⼦拡散と局所的な⾃然対流が⾃然循環流発⽣時間*へ及ぼす影響

11

1次冷却系主配管破断事故時の流路構成とそのモデル化（⽔平⼆重管を含む⼆重円筒）
HTTR ︓ 炉 ⼼ と 1 次 冷 却 系 主 配 管 の 間 に 垂 直 な 流 路 が 存 在 す る ．
GTHTR300C︓炉⼼と1次冷却系主配管の間に垂直な流路は存在しない．

加熱・冷却壁間の温度差が増⼤すると，密度差の⼩さい2成分気体（HeAir，He-N₂）と密度差の⼤きい2成分気体（Ne-Ar、N₂-Ar）の⾃然循環
流発⽣時間の差は減少した．

空気の⾃然循環の発⽣時間が⼤幅に短縮される可能性がある．

従って，⾃然循環流発⽣時間の短縮
は加熱・冷却壁間の温度が低い場合，分⼦拡散による影響が⼤きいが，加熱・冷却壁間の温度差が増⼤すると，⾃然対流の影響が⼤きくなる．
磯⾒ 宙孝，“鉛直流体層内の気体浸⼊過程に関する研究”，⼭梨⼤学⼤学院医学⼯学総合教育部機械システム⼯学専攻平成22年度修⼠論⽂
⽔野浩基，“鉛直流体層内の2成分気体混合挙動に関する研究”，⼭梨⼤学⼤学院医学⼯学総合教育部機械システム⼯学専攻平成24年度修⼠論⽂
⽻⿃寛史，“⾼温ガス炉の1次冷却系主配管破断事故時の空気浸⼊事象に関する研究”，⼭梨⼤学⼤学院医学⼯学総合教育部機械システム⼯学専攻平成27年度修⼠論⽂
⽥中裕⼤，“異種気体による⾃然循環流の制御に関する研究”，⼭梨⼤学⼤学院医⼯農学総合教育部⼯学専攻機械⼯学コース平成29年度修⼠論⽂

Modeling
Rupture partExperimental apparatus of double coaxial cylinder＊︓

12HTTR

GTHTR300C

13

実験⽬的

同軸⼆重円筒の実験装置

実験⽬的
⽔平⼆重管破断事故時の炉内流路を模擬した実験装置を⽤い，Insulation Helium gas

Very weaknatural convection

1. 不安定または安定な密度成層下での密度の異なる気体浸⼊過程
2. 分⼦拡散と⾃然対流，⼜は微弱な⾃然循
環流が重畳する場合の気体混合挙動

Cooling cylinder

Airについて調べた．

Horizontal double pipe
Heater1415

実験⽅法
1. 装置内を真空置換する．

実験条件・装置と原⼦炉の環状流路⽐較
実験条件

Water

2. 装置内にHeガスを注⼊する．
3. ヒーターを起動し内側円筒内を加熱，冷却⽔を注⼊し外側円筒を冷却する．
4. ヒーターの定常状態を確認後，⽔平⼆重管の内管・環状流路のバルブを同時に開放し，実験を開始す
る．

He

2成分気体

密度⽐

ヒーターの熱⼊⼒

He-Air

1.38/1036W, 144W, 324W

レイリー数範囲（×10⁴）

0.014≦𝑹𝒂𝒅𝑬 ≦10.5

装置と原⼦炉の環状流路⽐較実験装置

Air16GTHTR300C

⾼さ [m]

h0.205

H8.0

幅 [m]

d0.0387

D0.1

アスペクト⽐h ⁄d

温度差 ΔT [K]12, 34, 57

5.3

H ⁄D

ΔT = 12, 34, 57

ΔT = 150

80150∗＊︓X. Yan, K. Kunitomi, T. Nakata, S. Shiozawa, “GTHTR300 design and development”,
Nuclear Engineering and Design 222, pp247-262, 2003
17

実験結果（⾃然循環流発⽣までのメカニズム）

実験結果（装置内の気体温度の時間変化）

装置内の空気モル分率・⽔平⼆重管出⼊⼝部流速の時間変化
実験条件︓熱⼊⼒36W，冷却⽔流量⼀定

実験条件︓熱⼊⼒36W，冷却⽔流量⼀定, 𝑹𝒂𝒅𝑬 数範囲（×𝟏𝟎𝟒 ）︓0.021~3.05Localized natural convection

Natural convection

Temperature fluctuation = ±0.3~1.1℃

Air ingresses.
The inside of the apparatus is filled with air.

Molecular diffusion

Air

Helium gas release

Effective heating part

ΔT = 5.7K

HeaterHeater steady time after valve opening

Natural circulation flow generate. (19~89min)Outside measurement range(mole fraction)

337.5 mmSteady stateHe

Helium gas is released bynatural circulation flow.

Natural convection

Air(1)(6)

Direction of flow velocity

flownatural
velocitycirculationof air
ItSteadybecomesflow of air. (600min)

Counter current flow(2)Air

Valve opening
opening timetime
Valve(5)001819

各熱⼊⼒・測定箇所における対流の流動領域変化
Gr数の定義式
𝐺𝑟𝑔𝛽 𝑇

Boundarylayer regime

𝑇 𝑑 ⁄ν

T : Near the inner cylinder
T : Near the outer cylinder

𝐡𝐄He
Air

36W
144W
324W
10101010Apparatus is filled with air.

324W : 240min○ : Natural circulation flow generate.

144W : 360min

𝐝𝐄𝐝𝐄

5.3

熱⼊⼒が増⼤するに従い，内側円筒内と環状流路間で⽣じる気体密度差の増⼤が加速し，⾃然循環流発⽣時間と装置内が空気で満たされた時間も短くなった．

36W : 600min

𝐡𝐄Max. value: 36W: 144W: 324W

各熱⼊⼒における⾃然循環流発⽣時間の変化

10Min. : バルブ開放直前のGr数（装置内はHeのみ）
20
Max. : 装置内が空気で満たされた後のGr数

Outside measurement range

Transition

Conduction regime

Min. value: 36W: 144W
: 324W(3)(4)

GasMeasurement
mixing behavior andair ingress process
position

Valve opening time

Solid line: Upper part
Dotted line: Lower part

Upper part
(DAB : 0.671~0.682)
Lower part
(DAB : 0.654~0.656)
Upper part
(DAB : 0.716~0.749)
Lower part
(DAB : 0.662~0.669)

Upper part
(DAB : 0.783~0.838)
Lower part
(DAB : 0.679~0.691)

Valve opening time21

結論

結論

逆U字型鉛直矩形流路の2成分気体混合過程に関する実験
1. 分⼦拡散と局所的な⾃然対流が重畳して発⽣すると，⾃然循環流発⽣時間を短縮させる．
2. 壁間温度差︓⼩⇒2成分気体の混合は分⼦拡散の影響⼤
壁間温度差︓⼤⇒2成分気体の混合は局所的な⾃然対流の影響増加

⽔平⼆重管破断時の気体混合挙動と空気浸⼊過程に関する実験Stage 1𝐃𝐀𝐁 He-Air > He-N₂ > Ne-Ar > N₂-Ar
Gr

⼤He-Air < He-N₂ < Ne-Ar < N₂-Ar

⼩

⾃然循環流発⽣時間の差Stage 2

加熱・冷却壁間の温度差が増⼤するほど， 各2成分気体の⾃然循環流発⽣時間の差は縮まる．

⾼温ガス炉の配管破断事故時の空気浸⼊過程を予測する際には，各構造物の温度分布や温度変化が分⼦拡散と⾃然対流，⾃然循環流による気体浸⼊過程に⼤きな影響を及ぼすことが明らかになった.

Stage 21

⽔平⼆重管内に対向置換流が発⽣
Heガスが放出・空気が浸⼊装置内に安定密度成層が形成
⽔平⼆重管内管から内側円筒容器内に空気が浸⼊
内側円筒容器内で対流が発⽣装置上部のHeガスは下部に拡散環状流路で局所的な⾃然対流が発⽣

⾃然循環流⽣成VHTRの永久反射体と圧⼒容器間で発⽣する現象と定性的に同じである．
⼩⼤

加熱・冷却壁間の温度差

22

装置内は空気で満たされる．

装置内で⽣じている複雑な流れの詳細を明らかにするために，モル分率・流速測定点を増やす,可視化実験を⾏う，数値解析を⾏う必要がある. 23